Electron Canalisation imagerie de contraste pour Rapid III-V hétéroépitaxiale Caractérisation

Summary

The use of electron channeling contrast imaging in a scanning electron microscope to characterize defects in III-V/Si heteroexpitaxial thin films is described. This method yields similar results to plan-view transmission electron microscopy, but in significantly less time due to lack of required sample preparation.

Abstract

Misfit dislocations in heteroepitaxial layers of GaP grown on Si(001) substrates are characterized through use of electron channeling contrast imaging (ECCI) in a scanning electron microscope (SEM). ECCI allows for imaging of defects and crystallographic features under specific diffraction conditions, similar to that possible via plan-view transmission electron microscopy (PV-TEM). A particular advantage of the ECCI technique is that it requires little to no sample preparation, and indeed can use large area, as-produced samples, making it a considerably higher throughput characterization method than TEM. Similar to TEM, different diffraction conditions can be obtained with ECCI by tilting and rotating the sample in the SEM. This capability enables the selective imaging of specific defects, such as misfit dislocations at the GaP/Si interface, with high contrast levels, which are determined by the standard invisibility criteria. An example application of this technique is described wherein ECCI imaging is used to determine the critical thickness for dislocation nucleation for GaP-on-Si by imaging a range of samples with various GaP epilayer thicknesses. Examples of ECCI micrographs of additional defect types, including threading dislocations and a stacking fault, are provided as demonstration of its broad, TEM-like applicability. Ultimately, the combination of TEM-like capabilities – high spatial resolution and richness of microstructural data – with the convenience and speed of SEM, position ECCI as a powerful tool for the rapid characterization of crystalline materials.

Introduction

La caractérisation détaillée des défauts cristallins et microstructure est un aspect extrêmement important de matériaux semi-conducteurs et de la recherche de l'appareil depuis ces défauts peuvent avoir un impact négatif significatif sur les performances de l'appareil. Actuellement, la microscopie électronique à transmission (MET) est la technique la plus largement acceptée et utilisée pour la caractérisation détaillée des défauts étendus – dislocations, défauts d'empilement, des jumeaux, des domaines d'antiphase, etc. – car elle permet l'imagerie directe d'une grande variété de défauts avec une vaste résolution spatiale. Malheureusement, TEM est une approche fondamentalement faible débit en raison de longs délais de préparation des échantillons, qui peuvent conduire à des retards importants et des goulets d'étranglement dans les cycles de recherche et développement. En outre, l'intégrité de l'échantillon, par exemple en termes de l'état de déformation comme adulte, peut être modifié lors de la préparation de l'échantillon, en laissant la possibilité pour des résultats falsifiés.

Electron canalisation coimagerie ntrast (CEIC) est un complément, et dans certains cas potentiellement supérieur, technique pour TEM car il fournit une alternative, approche à haut débit pour imager les mêmes défauts étendus. Dans le cas des matériaux épitaxiés, les échantillons doivent peu ou pas de préparation, faisant CEIC beaucoup plus de temps efficace. De plus avantageux est le fait que ECCI nécessite seulement un microscope électronique à balayage à émission de champ (MEB) équipé d'une pièce polaire annulaire norme électrons de rétrodiffusion (ESB) détecteur monté; la géométrie de la diffusion vers l'avant peut également être utilisé, mais nécessite un équipement légèrement plus spécialisé ne sera pas abordé ici. Le signal CEIC est composé d'électrons qui ont été inélastique sur l'en-aller faisceau canalisé (électrons front d'onde), et à travers plusieurs événements supplémentaires de diffusion inélastique, sont en mesure d'échapper à la échantillon en arrière à travers la surface. ¹ Semblable à deux faisceau TEM, il est possible de réaliser dans des conditions ECCI de diffraction spécifiques à la SEM par orienting l'échantillon de sorte que les électrons incidents satisfait de faisceau une condition de Bragg cristallographique (c.-à canaliser), comme déterminé en utilisant à faible grossissement électronique canaliser modèles (PCU); ^1,2 voir Figure 1 pour un exemple. Simplement, PCU fournir une représentation orientation spatiale du faisceau d'électrons incident diffraction / canalisation. ³ lignes foncées résultant de faible signal de rétrodiffusion indiquent orientations faisceau échantillons où les conditions de Bragg sont remplies (c.-à-lignes de Kikuchi.,), Ce qui donne une forte canalisation, tandis que le régions brillantes indiquent une forte rétrodiffusion, des conditions non-diffraction. Contrairement aux modèles Kikuchi produites par diffraction d'électrons rétrodiffusés (EPCA) ou TEM, qui sont formés par diffraction d'électrons sortant, PCU sont le résultat de électron incident diffraction / canalisation.

Dans la pratique, les conditions de diffraction pour ECCI contrôlées sont obtenues en ajustant l'orientation de l'échantillon, via inclinaison et / ou de rotation à faible grossissement, de sorte que la fonction de ECP représentant la condition de Bragg bien défini d'intérêt – par exemple, un [400] ou [220] Kikuchi bande / ligne – coïncide avec l'axe optique de la SEM . La transition vers un fort grossissement, puis, en raison de la restriction de la la plage angulaire du faisceau d'électrons incident, sélectionne efficacement pour un signal ESB qui correspond idéalement seulement à la diffusion de la condition de diffraction choisi. De cette manière, il est possible d'observer des défauts qui fournissent contraste de diffraction, par exemple des dislocations. De même que dans TEM, le contraste de l'image présentée par de tels défauts est déterminé par les critères d'invisibilité standard, g · (b x u) = 0 et g · b = 0, où g représente le vecteur de diffraction, b le vecteur de Burgers, et u la ligne de direction. Ce ⁴phénomène se produit parce que les électrons diffractés des avions déformés par le défaut contiendra des informations sur ledit défaut.

A ce jour, principalement ECCI a été utilisé à des fonctions et des défauts d'image ou à proximité de la surface de l'échantillon pour de tels matériaux fonctionnels comme GaSb, ⁵ SrTiO _3, ⁵ GaN, SiC et ^{9.6. 10,11} Cette limitation est le résultat de la surface -sensible nature du signal CEIC elle-même, dans lequel l'ESB qui composent le signal provient d'une gamme de profondeur sur 10 – 100 nm. La contribution la plus importante de cette limite de résolution en profondeur est celui de l'élargissement et de l'amortissement de l'en-aller front d'onde des électrons (électrons canalisés), en fonction de la profondeur dans le cristal, en raison de la perte d'électrons à des événements de diffusion, ce qui réduit la signal de l'ESB potentiel maximum. ¹ Néanmoins, un certain degré de résolution en profondeur a été rapporté dans les travaux antérieurs sur Si _1-x Ge _x / Si etEn _x Ga _{1-x As} / hétérostructures GaAs, ^12,13, ainsi que plus récemment (et présentes) par les auteurs sur hétérostructures GaP / Si, ¹⁴ où CEIC a été utilisé pour l'image dislocations de désadaptation enfouis à l'interface hétéroépitaxiale treillis dépareillés au des profondeurs allant jusqu'à 100 nm (avec des profondeurs supérieures susceptibles possibles).

Pour le travail détaillé ici, CEIC est utilisée pour étudier GaP croissance épitaxiale sur Si (001), un système complexe d'intégration de matériaux avec une application vers des domaines tels que l'énergie photovoltaïque et de l'optoélectronique. GAP / Si est d'un intérêt particulier comme une voie potentielle pour l'intégration des métamorphique semi-conducteurs III-V (treillis dépareillés) sur des substrats de silicium rentables. Pendant de nombreuses années, des efforts dans ce sens ont été en proie à la génération incontrôlée de grands nombres de hétérovalente nucléation défauts liés, y compris les domaines d'antiphase, fautes d'empilement, et micromacles. Ces défauts nuisent à la performance du dispositif, ESPEphotovoltaïque ciellement, en raison du fait qu'ils peuvent être électriquement actif, agissant en tant que centres porteuse de recombinaison, et peuvent également entraver interfaciale glissement des dislocations, conduisant à des densités de dislocations. ¹⁵ Cependant, les récents efforts des auteurs et d'autres ont conduit à la réussite du développement des processus épitaxiales qui peuvent produire GAP-sur-Si films libres de ces défauts de nucléation liés, ^16-19 ouvrant ainsi la voie à la poursuite des progrès.

Néanmoins, en raison de la petite, mais non négligeable, désaccord de maille entre Gap et Si (0,37% à la température ambiante), la génération de dislocations de désadaptation est inévitable, voire nécessaire pour produire des couches épitaxiées complètement détendu. GaP, avec sa structure à base de zinc-blende FCC, tend à donner 60 ° dislocations de type mixte (bord et vis) sur le système de glissement, qui sont glissile et peut soulager de grandes quantités de souche à travers de longues longueurs de glissement net. Complexité supplémentaire est également introduite par le décalage dansGaP et Si des coefficients de dilatation thermique, qui se traduit par un désaccord de maille augmentant lorsque la température augmente (par exemple., ≥ 0,5% inadapté à des températures de croissance typiques). ²⁰ Du fait que les segments de dislocation de filetage qui constituent le reste de la boucle inadapté de dislocations (de même que l'inadéquation interfaciale et la surface du cristal) sont bien connus pour leurs propriétés porteuse de recombinaisons non radiatives associées, et les performances de l'appareil ainsi dégradée, ²¹ il est important de bien comprendre leur nature et l'évolution de telle sorte que leurs numéros peuvent être minimisés. La caractérisation détaillée des dislocations de désadaptation interfaciale peut donc fournir une quantité importante d'informations sur la dynamique de dislocation du système.

Ici, nous décrivons le protocole d'utilisation d'une SEM d'effectuer CEIC et fournir des exemples de ses capacités et ses forces. Une distinction importante ici est l'utilisation de CEIC pour effectuer ty microstructuresation de la sorte généralement effectuée via TEM, alors que CEIC fournit les données équivalentes, mais dans un laps de temps beaucoup plus court en raison des besoins de préparation des échantillons réduits de manière significative; dans le cas des échantillons épitaxiales avec des surfaces relativement lisses, il n'y a effectivement aucune préparation de l'échantillon nécessaire à tous. L'utilisation de CEIC pour la caractérisation générale des défauts et des dislocations de désadaptation est décrite, avec quelques exemples de défauts cristallins observés fournis. L'impact des critères d'invisibilité sur le contraste d'imagerie observée d'un réseau de dislocations de désadaptation interfaciaux est ensuite décrit. Elle est suivie par une démonstration de la façon dont CEIC peut être utilisé pour effectuer des modes importants de la caractérisation – dans ce cas, une étude pour déterminer l'épaisseur de Gap-sur-Si essentiel pour la dislocation nucléation – fournir des données de TEM-like, mais à partir de la commodité d'un SEM et dans le cadre de temps considérablement réduit.

Protocol

Ce protocole a été écrit avec l'hypothèse que le lecteur aura une compréhension pratique de l'opération SEM standard. Selon le fabricant, le modèle et la version du logiciel même, tous les SEM peut avoir sensiblement différentes interfaces matérielles et / ou logicielles. La même chose peut être dite par rapport à la configuration interne de l'instrument; l'opérateur doit être prudent et attentif lorsque l'on suit ce protocole, que même relativement petits changements dans la taille d…

Representative Results

L'écart / échantillons Si pour cette étude ont été cultivées par dépôt chimique en phase vapeur organométallique (MOCVD) dans un Aixtron 3 × 2 monobloc réacteur de douche suite du processus hétéroépitaxiale les auteurs précédemment rapporté. 17 Tous les croissances ont été réalisées sur 4 pouces Si ( 001) substrats avec désorientation intentionnel (de offcut) de 6 ° vers [110]. Tous imagerie CEIC a été effectuée sur des échantillons comme cultivés sans autre préparation de l&#…

Discussion

Une tension d'accélération de 25 kV a été utilisé pour cette étude. La tension d'accélération permettra de déterminer la profondeur de pénétration électronique de faisceau; avec tension d'accélération plus élevée, il y aura signal de l'ESB provenant de grandes profondeurs dans l'échantillon. La tension d'accélération élevée a été choisie pour ce système, car il permet une visibilité des dislocations qui sont loin de la surface de l'échantillon, enfouis à l'inter…

Materials

Sirion Field Emission SEM	FEI/Phillips	516113	Field emission SEM with beam voltage range of 200 V – 30 kV, equipped with a backscattered electron detector
Sample of Interest	Internally produced	N/A	Synthesized/grown in-house via MOCVD
PELCO SEMClip	Ted Pella, Inc.	16119-10	Reusable, non-adhesive SEM sample stub (adhesive attachment will also work)